Римский бетон способен самозалечивать трещины до того, как они распространятся.
Прочность древнего бетона
Древнеримский бетон известен как один из самых прочных в истории, и последние исследования специалистов Массачусетского технологического института, которые изучали свойства самовосстановления бетонной смеси, объясняют, почему.
Экстремальные температуры при смешивании привели к образованию негашеной извести. Это означает, что горячее смешивание приводит к самовосстановлению.
Древнеримский бетон вызывает всеобщее восхищение. Примечательно, что Пантеон — неармированный бетонный купол Рима, возведенный в 128 году н.э., — стоит до сих пор, а акведуки того же периода продолжают проводить воду в Рим. Иными словами, древний бетон держится крепко.
Читайте также
Состав бетона в Древнем Риме
На протяжении десятилетий исследователи объясняли уникальную прочность смеси включением в нее вулканического пепла из Поццуоли, города в Неаполе, Италия; другие утверждали, что ключевым ингредиентом является известь.
Группа исследователей из Массачусетского технологического института, Гарварда, Италии и Швейцарии под руководством Адмира Масича, профессора гражданского и экологического строительства Массачусетского технологического института, знала, что в этой истории есть нечто большее. Особенно если смотреть на миллиметровые ярко-белые минеральные включения, названные «известковыми кластами», вкрапленными в бетон.
Читайте также
Команда обнаружила, что древнеримский бетон приобретает свою прочность благодаря свойствам самовосстановления, которые помогают заполнять трещины по мере их образования. Конечно, известь и зола помогают, но настоящей причиной этого является «горячее смешивание», процесс создания бетона, который образует реактивный кальций.
Другими словами, эти маленькие кусочки известкового шлака после смешивания могут вступить в реакцию с водой, перекристаллизоваться в карбонат кальция и заполнить трещины, одновременно вступая в реакцию с золой для повышения прочности. Реакции происходят спонтанно, самовосстанавливая трещины до их распространения.
Читайте также
Большой римский вопрос о бетоне
Изданию «Популярная механика» Масич рассказал, что перешел в Массачусетский технологический институт с конкретной целью — исследовать древнеримский бетон. Он создал лабораторию и пригласил студентов, заинтересованных в этой теме. Будучи прежде всего химиком, он, по его словам, знал, что, когда речь заходила о прочности римского бетона, под его поверхностью что-то скрывается.
«Чем больше я об этом читал и изучал, тем больше убеждался, что известь не очень хорошо изучена в этом фундаментальном компоненте», — рассказывает он. «Я считаю, что ее упускали из виду, потому что мы сосредоточились на вулканическом компоненте».
Ученые обычно считали золу главным ингредиентом, потому что римляне первыми стали добавлять в бетон вулканический пепел, создавая в смеси совершенно новый химический процесс, известный как «гидратация», вместо карбонизации. Бетон на основе гидратации — в прошлом воздушные растворы требовали воздуха для затвердевания и улавливали углекислый газ. Это придавало смеси дополнительную прочность по сравнению с карбонизацией и позволяло строить в любое время года.
Читайте также
Откуда взялся кальций? Вот где начинается исследование
Но вопросы оставались. Исследования показали, что римский бетон образовывал кристаллические фазы, которые, как известно, формируются только при высоких температурах — не менее 80 градусов по Цельсию (или около 176 градусов по Фаренгейту). Масич недоумевал, как такое может быть, ведь ни бетонная смесь, ни ее конечное местоположение никогда не достигали таких температур.
Затем недавнее исследование обнаружило в римском бетоне гидрат алюмината кальция в качестве связующего вещества, что создало дополнительную интригу. Кальций образовывался даже в тех частях, где римляне добавляли измельченную керамическую плитку для придания смеси водостойкости. Можно приписать часть формулы вулканическому пеплу, но не всю.
«Откуда взялся кальций? Именно с этого начиналось исследование», — объясняет Масич. «Спросите, откуда берется кальций».
Сила извести
Кальций поступает из извести. Но разница все же есть. Масич отмечает, что современный бетон — при смешивании извести, вулканических компонентов и воды — создает однородную смесь, совсем как бетон римского типа. Римляне же «систематически создавали неоднородный бетон». Как возможно, чтобы на каждой строительной площадке делали этот неоднородный материал, хотя они приложили столько усилий, чтобы сделать его очень стандартным с точки зрения ингредиентов, способов смешивания?.
Читайте также
Исследовательская группа решила изучить известковые класты — небольшие куски извести, которые они находили в каждом проанализированном образце.
«Наличие этих известковых кластов — механические особенности и структурные аспекты известковых кластов, а также химические аспекты известковых кластов — привело к выводу, — говорит Масич, — что известковые класты — это не ошибка при смешивании или неаккуратное смешивание, а корень очень специфического способа смешивания растворов».
«С тех пор как я впервые начал работать с древнеримским бетоном, меня всегда завораживали эти особенности. Они не встречаются в современных бетонных составах, так почему же они присутствуют в этих древних материалах?».
Римский бетон замешивался в печах высотой 164 фута и диаметром 26 футов. Первоначально считалось, что римляне добавляли воду с известью и порошком вулканического пепла и заполнителя, чтобы получить суспензию, называемую «расслаиванием». Это создавало однородную по структуре смесь. Однако наличие известковых обломков, включающих карбонат кальция (негашеную известь), означало, что секрет заключался не в этом.
Читайте также
Смешивание имеет значение
«Вместо того чтобы этот камень вступал в реакцию с водой, образуя суспензию, — говорит Масич, — вы измельчаете этот камень до мелких кусочков, которые теперь являются оксидом кальция, смешиваете их с вулканическим пеплом и сухим заполнителем, а затем добавляете воду. Именно здесь происходит реакция оксида кальция с водой, и вся смесь нагревается из-за реакции между оксидом кальция и водой, [которая] высвобождает энергию и создает горячие точки до 200-250 градусов Цельсия».
Это «горячее смешивание» влечет за собой ряд химических последствий, не наблюдаемых при холодном смешивании, которые можно объяснить только реакциями, происходящими при использовании негашеной извести вместо или в дополнение к смеси гашеной извести.
«Преимущества горячего смешивания двояки», — объясняет Масич.
- «Во-первых, когда весь бетон нагревается до высоких температур, это позволяет проводить химические реакции, которые невозможны при использовании только гашеной извести, образуя соединения, связанные с высокой температурой, которые в противном случае не образовались бы.
- Во-вторых, повышенная температура значительно сокращает время твердения и схватывания, поскольку все реакции ускоряются, что позволяет значительно ускорить строительство».
Самозалечивающийся бетон
Горячее перемешивание позволяет известковым кластам — характерным хрупким наночастицам, легко разрушаемым и реактивным источникам кальция — развиваться. Поэтому, когда в бетоне начинают образовываться крошечные трещины, известковые класты реагируют с водой, образуя насыщенный кальцием раствор, который перекристаллизуется в карбонат кальция, быстро заполняя трещину, или реагирует с пуццолановыми материалами, укрепляя бетон.
Реакции происходят автоматически, заживляя трещины до того, как они распространятся, — все это часть выводов, которые команда Масича опубликовала в журнале Science Advances.
Читайте также
По словам Масича, ключевой эффект при горячем смешивании с негашеной известью заключается в том, что вы не растворяете все частицы извести, и они систематически встраиваются в бетонную смесь, создавая резервуар кальция. Эти резервуары кальция, начинающиеся как негашеная известь, могут расширяться при гидратации, создавая наночастицы, похожие на ткань.
«Когда поступает вода, она просто растворяется, и именно отсюда берется кальций», — объясняет он. Эти класты растворяются и перекристаллизуются в виде кальцита в трещинах». Теперь мы говорим о самовосстановлении».
Команда проверила теорию и обнаружила, что бетон горячего смешивания, вдохновленный римлянами, заживляет трещины в течение двух недель. Современная бетонная смесь вообще не заживала, позволяя воде протекать через трещину, что в конечном итоге разрушило бы бетон.
Читайте также
Будущее бетона
Масич говорит, что в мире уже есть самовосстанавливающийся бетон, но затраты не позволяют отрасли использовать его.
«Эта технология может изменить ход событий просто потому, что мы можем предложить самовосстановление по чрезвычайно конкурентоспособной цене», — говорит он.
По словам ученого, последняя находка, которая все еще показывает важность извести и вулканического пепла в смеси, может в будущем изменить дизайн решений, вдохновленных римской эпохой. Функциональность самовосстанавливающегося бетона позволяет смеси служить дольше, требует меньше обслуживания и меньше новых материалов для нового строительства, что является частью цели по сокращению выбросов при создании бетона.
Кроме того, самовосстанавливающийся бетон, вдохновленный римлянами, просто лучше работает по сравнению с сегодняшней стандартной смесью.
Рекомендуем также:«Это первый шаг, в правильном направлении», подытожил Масич.
